第二章 文獻回顧
第二節 日本被動消能構造設計施工論文集
被動消能構造的基本性能和界限狀態由建築業主、建築設計者與設備設計者等 共同協商決定。一般主要考慮地震和風力的情形，但有時亦會考慮樓版振動情形。
界限狀態分為三個狀態：使用界限狀態、損傷界限狀態、安全界限狀態。針對速度 型消能元件界限狀態的定義如下：
(1) 速度型消能元件包括油性阻尼器（線性）、黏性阻尼器（非線性）與黏彈性阻尼 器，其界限狀態分為三部分：
(a) 使用界限狀態
消能元件的使用界限幾乎沒有規定。但是對於小地震、風荷重或微振動必須 注意消能元件要能發揮其消能的能力。
(b) 損傷界限狀態
為了保持黏性消能能力，必須規定消能元件的溫度與速度的界限。而對於黏 彈性阻尼器除了溫度與速度界限外，對於材料變形與疲勞的界限也要考慮。
(c) 安全界限狀態
為了保持黏性消能能力的最後界限，主要由變形來決定消能元件的形狀尺 寸。而對於黏彈性阻尼器，其材料最終的疲勞界限也需考慮。
(2) 未加阻尼器結構的界限狀態 (a) 使用界限狀態
在不造成建物功能失效的界限，從設置機器的運作條件和居住性等等來規 定。
(b) 損傷界限狀態
未加阻尼器結構受到損傷的界限，對地震和風等的水平力最先達到短期容許 應力的時候或塑性鉸發生的時候所對應的界限狀態
(c) 安全界限狀態
未 加 阻 尼 器 結 構 崩 塌 的 界 限 ， 對 地 震 和 風 等 的 水 平 力 所 對 應 崩 壞 機 構 (Mechanism)形成的時候所對應的界限狀態
控制被動消能構造在地震和風力反應下，設計時需要考慮兩個等級的干擾輸入
力發生頻率及建築物耐用的年限，而且需要達到各等級所對應的性能目標。其中等 級一地震為建物存在期間發生一次的地震，等級二地震為很少發生的大規模地震。
對於建物性能的具體要求為：等級一地震不能讓建物損傷且能維持其機能，等級二 地震不能讓建物崩塌，並且在日常風情形下要求不能讓居住者有不舒服的感覺。設 計者需考慮對設定等級的輸入力所造成消能構造的最大加速度、層間變位角等的目 標性能。未加阻尼器結構和消能元件一般只考慮各干擾等級輸入力所對應的損傷界 限和安全界限二種等級的界限狀態，但對日常風情形則需額外考慮使用界限。表2.1 與表2.2 分別為地震力和風力各干擾等級所對應的消能性能目標。
表 2.1 地震力干擾等級和消能性能目標
干擾等級 建物存在期間遭受一次
等級
極稀少發生大規模輸入 等級
輸入地震力等級 0.25 m/s 0.5 m/s
未加阻尼器結構 損傷界限以下 安全界限以下
消能元件 損傷界限以下 安全界限以下
樓板加速度 5 m/s2 10 m/s2
層間變位角 1/200 rad. 1/100 rad.
層間速度 0.1 m/s 0.2 m/s
目標性能
樓頂變位角 1/250 rad. 1/150 rad.
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
表 2.2 風力干擾等級和消能性能目標 干擾等級 1 年遭受 1,2 回
等級
建物存在期間遭 受一次等級
極稀少發生大規 模輸入等級 基準風速等級 15 m/s 34 m/s 42.5 m/s
未加阻尼器結構 使用界限以下 損傷界限以下 安全界限以下
消能元件 使用界限以下 損傷界限以下 安全界限以下
層間變位角 1/20,000 rad. 1/200 rad. 1/100 rad.
目標性能
樓層加速度 0.04 m/s2 5 m/s2 10 m/s2
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
對於消能元件的耐用年限在設定時與建物是相同的，但須考慮消能元件耐用年 限較短時可替換之需求，而且在設計圖與各消能元件上最好都能明確的表示其耐用 年限。消能元件所設定耐用年限間，在假定承受的外力等級與頻率下，須確保功能 能夠發揮。另外，消能元件會因為環境條件不同，性能也會改變。所以對於環境條 件與性能變動大的情形，對於消能元件所對應的性能要求需特別的進行確認。消能 元件設計條件的適用範圍如表2.3 所示。
表 2.3 消能元件加振條件適用範圍 通常的振動頻率：0.2~3Hz 標準靜態振動頻率：0~0.2Hz 振動頻率範圍
高振動頻率:3~10Hz
溫度範圍 通常的室溫等級：10~30℃
第二章 文獻回顧
寒冷地區：-10~0℃
高溫地區：30~40℃
大地震對應：10 周 暴風時對應：1000 周 反覆的回數
日常風對應：1000000 周
大地震對應：1/100 rad. (0.2m/s) 暴風時對應：1/100 rad. (0.1m/s) 層間變位角(層間速度)
日常風對應：1/20000 rad. (0.01m/s)
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
設計者為達到消能目標性能，在確認消能元件的基本性能後，必須有適當的計 畫來設計構造，並利用合理的分析方法評估其性能。日本被動消能構造設計施工論 文集中，第3 章介紹以等效線性化單質點系統，利用消能曲線的方法初步預測其受 震反應，另外，消能部材性能選取的剛性對分析結果影響大，建議將消能部材的影 響納入考慮。第4 章使用多質點系統消能構造的設計方法，其中包含高度方向的分 佈、構造體的撓曲轉動變形消能效果的影響討論，其設計流程如圖 2.4 所示。第 5 章介紹消能元件的模型建置。第6 章說明將消能元件模型化具體的方法、模型化的 影響以及相關需特別注意之處。第 7~10 章則說明每一種阻尼器的設計方法，在充 分理解每一種阻尼器的界限狀態後，設計者按照適當的判斷，決定設計消能元件容 許值的準則，此時需考慮消能元件基本特性性能界限、性能偏差、各種相關性以及 隨時間惡化等的狀態。
圖 2.4 多質點消能構造設計法流程圖
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
經由計算阻尼器儲存與損失勁度而求得系統儲存與損失勁度，則可進一步得到 等效周期與阻尼比(減衰常數)。利用得到的結果與地震反應譜值結合，在沒有經過 繁瑣耗時的歷時分析下，就可以簡便的得到地震輸入力所對應的最大反應，此即為 單質點系統消能曲線。利用上述理論得到圖表簡單預測反應，不但對設計上有幫 助，而且可以提供設計者在性能與經濟上不同選擇的方案。詳細理論推導可參見第 三章消能基本概念中第三節初步設計（消能曲線）。
圖 2.5 為 含 黏 彈 性 阻 尼 器 消 能 構 造 之 消 能 性 能 曲 線 ， 其 中 ， ( , ) ( , )
d d eff eff d o o
R =S ξ T S ξ T 為位移反應譜比，Ra =Sa(ξeff,Teff) Sa( , )ξo To 為加速度反 應譜比（T 與o ξo分別為未加消能元件結構之基本振動週期與內含阻尼比，T 與eff ξeff 分別為考慮消能元件結構之基本振動週期與有效阻尼比）；K 為斜撐勁度，與系b 統位移同相；K ′ 為阻尼器之彈性儲存勁度；d Kd″為阻尼器之損失勁度，其直接反 映阻尼器阻尼常數值，與位移呈90 相差；K 為構架本身之側向勁度；f ηd =K Kd′′ d′ 為損失因子。
位移折減比率Rd 位移折減比率Rd
加速度折減比率 加速度折減比率
圖 2.5 含黏彈性阻尼器消能構造之消能性能曲線
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
設計時可考慮提高損失勁度比K ''d /Kf，以達到同時降低位移與加速度反應。
但必須注意增加過多的阻尼器亦會使儲存剛性K /'d Kf 過高，對於位移的折減效果 趨緩，但會使加速度反應急遽增加。相關步驟如下：
(1) 利用固有周期T 和反應譜值求得未加阻尼器結構的最大變位f u 。 f (2) 決定消能目標位移umax，定出位移折減率Rd =umax/uf。
(3) 計算阻尼器損失因子ηd，決定消能性能曲線損失因子後，得到滿足目標R 之阻d 尼器的損失勁度比及儲藏勁度比。
第二章 文獻回顧
圖2.6 為含黏性阻尼器消能構造之消能性能曲線，其中，K 為阻尼器儲存勁度b* 與斜撐勁度串聯之等效勁度。
位移折減比率R 位移折減比率d R d
加速度折減比率 加速度折減比率
圖 2.6 含黏性阻尼器消能構造之消能性能曲線
（資料來源：日本被動消能構造設計施工論文集提供）
相關步驟如下：
(1) 利用未加阻尼器結構固有周期K 和反應譜值求得未加阻尼器結構不含阻尼器f 的最大變位u 。 f
(2) 決定消能目標位移umax，定出位移折減率的目標值Rd =umax/uf ，同時求得加速 度折減率R ，從消能性能曲線中選出滿足目標值a R 的d Kb*/Kf 與Kd" /Kf 的組合。